煤泥浮选效果影响因素研究

贾 斌

(中国煤矿机械装备有限责任公司，北京 100011)

煤炭属于非可再生资源，经过几十年大规模开采，我国优质煤炭资源存储量大幅下降，煤炭经济下滑，同时机械化程度越来越高，在开采过程中产生大量煤泥，粉煤的含量一般占到原煤量的10%～30%之间。随着选煤厂粉煤产量越来越多，煤泥浮选的地位就越来越重要。从目前煤炭技术发展成果来看，煤泥浮选是处理这部分煤泥最高效、最经济的煤泥分选方法[1]，在国外内各选煤厂得到广泛应用。

煤炭燃烧过程中各种元素以氧化物的形式释放出来，同时生成煤尘造成环境污染。在整个煤泥浮选过程中，煤泥浮选效果除了受到煤泥自身性质的影响外，还受到煤泥预处理方式、浮选药剂、药剂用量、浮选设备、浮矿浆浓度、浮选工艺等因素的影响。因此，通过了解浮选原理及对煤泥浮选主要影响因素进行分析，深入研究各因素间的相互作用规律，达到优化煤泥浮选工艺参数、提高浮选效率的目的，进而降低煤炭中的灰分和提高精煤质量，对保护环境和提高经济效益有重要意义[2]。

1 煤泥浮选概述

煤泥浮选是根据煤粒与矸石颗粒表面物理化学性质(水润湿性)的不同而进行的比较错综复杂的分选工艺过程。煤泥浮选首先将煤泥以矿浆形式加入搅拌设备，同时加入一定比例的浮选药剂进行搅拌，搅拌后的煤泥经预处理后进入浮选设备，在浮选设备的作用下，浮选过程中产生大量的气泡，疏水性较好的煤粒黏附在气泡上，随着气泡进入矿化泡沫层，被刮泡器刮取后成为精煤，而亲水性好的矸石、灰分等留在泥浆中成为尾煤，实现煤与矸石、灰分的有效分离。

2 煤泥浮选效果影响因素

2.1 煤泥性质对浮选效果的影响

煤是亿万年前植物遗体在地下经过复杂的物理化学变化沉积成的高分子有机质和多种矿物质组成的固体可燃混合物，其成分具有明显的不均匀性。经过时间的演变，不同时期的煤风化程度有较大不同，造成煤泥表面性质差异很大。煤泥性质是煤泥可浮性的决定性因素，研究煤泥性质对提高煤泥浮选效果具有重要意义。从煤泥性质方面分析，影响煤泥可浮性的因素主要有煤泥氧化程度、煤泥变质程度和煤泥粒径等[3]。

(1)煤泥氧化程度对浮选效果的影响。煤泥表面很容易被氧化，主要存在2种氧化方式：①煤风化过程被氧化；②水浸泡过程被氧化。煤泥氧化过程伴随着结构复杂的有机质降解，在煤泥氧化初期，表面主要进行物理吸附以提高煤粒的疏水性。随着氧化程度加深，煤泥中含氧量增加，含碳量和含氢量降低，煤粒表面主要发生化学吸附导致疏水性降低，可浮性变差。当煤泥表面氧化程度较严重时，煤泥表现出与无机矿物质一样的亲水性，造成浮选时精煤产率下降。为实现氧化煤粒与矸石的分离，这时煤泥中需要添加OC系添加剂，促进捕收剂油滴的扩散，增加油滴与煤粒接触可能性，从而改善浮选的选择性。添加剂可与氧化煤中的多种含氧官能团结合，增加煤粒表面的接触角，提升煤泥的疏水性，提高煤粒的可浮性。另外，煤粒在水中的氧化程度比在空气中更为剧烈，为降低煤泥氧化程度对煤泥可浮性的影响，应避免煤泥长时间在空气中暴露及水中浸泡[4]。

(2)煤泥变质程度对浮选效果的影响。煤泥变质程度不同影响煤粒表面接触角，煤泥疏水性可通过其表面接触角进行表征。煤泥表面接触角越大，其表现出疏水性越强，进而煤粒可浮性越好；反之，煤粒可浮性越差。根据煤的变质程度从低到高可将煤分为褐煤、长焰煤、不粘煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、无烟煤等。中等变质程度的焦煤接触角相对较大，表现出良好疏水性，其可浮性表现最好。另外，煤泥的可浮性也与其表面孔隙率相关，孔隙率越大，疏水性越差。因此，贫煤和无烟煤的接触角虽大，但其孔隙发达，可浮性表现较差，需要更多的浮选药剂来提升疏水性[5]。

(3)煤泥粒径对浮选效果的影响。在煤泥浮选过程中，煤泥粒径是影响浮选效果的重要因素。煤粒粒径较大或较小都会导致浮选产率降低，只有适宜的中等粒径煤泥才具有较高的浮选产率。煤粒径越小，其表面的物理化学性质受粒径的影响越大，越易附着在矿化气泡表面造成泡沫发黏，导致浮选的选择性变差，进而导致精煤灰分升高，降低精煤质量。在煤粒密度一定的条件下，煤粒粒径越大其在水中受重力影响就越大，当重力大于黏附力时，受到漩涡离心力的作用即使被气泡黏浮着，也易从气泡上脱落。因此，在工艺条件一定时，煤粒粒径差异可导致煤泥浮选产率不同，通常煤泥粒径在0.074～0.500 mm可实现较高的浮选产率。另外，煤粒表面几何形状也对煤泥浮选效果有一定影响，当煤粒表面呈球形时，其难以破坏水化层，附着能力降低；当煤粒表面不规则时，其易破坏水化层，进而煤粒易在气泡表面接触附着。煤泥浮选过程中，应避免煤泥长时间搅拌，磨损煤粒表面棱角而影响其可浮性[4]。谭佳琨等[6]研究了不同粒度煤炭颗粒对浮选产率和灰分的影响，研究表明粗颗粒的浮选精煤过程中，在加入细颗粒后，浮选产率提高30%，且精煤灰分基本保持不变，但粗颗粒加入会导致细颗粒精煤灰分升高。

2.2 煤泥预处理方式对浮选效果的影响

(1)煤浆预处理对浮选效果的影响。煤浆预处理是提升煤泥浮选效果的选煤工艺中非常重要的环节，其作用不仅是发挥浮选机良好性能，使物料得到均匀搅拌，同时也在高剪切力作用下引起液流强湍流运动，使浮选药剂和团聚煤颗粒均匀分散，提高其与煤泥颗粒的碰撞与吸附机会，为煤泥的浮选工作做好准备。目前，国内外研究人员已经认识到煤浆预处理对提高煤泥浮选效果的重要性，相继开发出一些提高煤浆预处理工艺效果的煤浆预处理设备，如雾化—跌落式煤浆预处理器、射流预矿化器、PS系列煤浆预处理器、表面改质机等[7]。煤浆预处理已广泛应用于微细粒度煤泥浮选工作中。随着科学技术不断更新，煤浆预处理器逐渐向着节能减排、大型化、自动化、系统化方向发展。

(2)超声波预处理对浮选效果的影响。随着超声波技术快速提升，尤其是高功率超声波的应用，利用超声空化作为动力，促进了超声波技术在煤泥浮选应用领域的扩展。超声波空化作用可产生冲击波和微射流，在其界面之间形成强烈的机械搅拌效应。因此，超声波预处理可显著提高煤浆中浮选药剂的分散性和活性，目前已成为提升浮选效果的重要预处理方式。超声波预处理影响煤浆特性，使煤浆含氧量减少，提高其可浮性；超声波预处理可有效清洗煤泥表面黏附的细小灰尘及矿物，同时使浮选药剂分散更加均匀，粒径变小50%左右，使其更容易吸附在煤粒表面，相同体积浮选药剂有效吸附面积增大，煤泥表面药剂吸附量降低，减少药剂用量，节约浮选成本。超声波预处理使矿浆中的微气泡核在声场作用下析出，导致煤粒表面产生许多微气泡利于气泡矿化，提高煤泥可浮性。唐超[8]研究了超声波预处理对煤泥浮选效果的影响，研究表明超声波预处理可以有效改善煤泥表面性质，减少煤表面的含氧官能团及增大煤泥接触角，使煤泥表现出更好的可浮性。李俊龙[9]研究超声波预处理时间对浮选效果的影响发现，合适的超声波处理时间，可降低煤浆中的氧含量、升高煤浆中的pH值，最终得到灰分较小的纯煤产率达27.85%。

(3)磨矿预处理对浮选效果的影响。磨矿预处理是改善难浮选煤泥表面性质、提高浮选效果的重要煤泥预处理技术。磨矿预处理利用物理破碎作用，不仅使煤粒表面的无机质与有机质解离、氧化层剥离，提高其可浮性，而且有利于降低精煤中灰分。夏文成等[10]研究磨矿预处理对不同氧化程度的煤泥的影响表明，磨矿预处理使煤粒表面疏水官能团含量增加，亲水官能团的含量减少，增强煤泥的浮选效果；不同氧化程度的煤泥，氧化程度越深，需要较长研磨的时间才可达到最佳浮选回收效果。但是，过度磨矿不仅使能量消耗增加，浪费资源，同时导致煤泥中的煤粒粒度过小，反而降低煤泥的浮选效率[11-12]。

2.3 药剂制度对煤泥浮选效果的影响

药剂制度是影响煤泥浮选效果的关键因素。煤炭资源经过几十年机械化开采，优质煤矿的存储量减少，同时煤泥含量相对增大、煤泥可浮性变差等因素，导致煤泥浮选成本增加。原有药剂制度已不能满足现有浮选工艺要求，由此制定高性能、高效率的浮选药剂制度成为提高浮选效率的有效手段。目前国内外已得到广泛应用的浮选药剂种类繁多，主要浮选药剂可分为捕收剂、起泡剂和调整剂[13]。

(1)捕收剂对浮选效果的影响。捕收剂是煤泥浮选重要的浮选药剂，通常选用水中的溶解度极小、疏水性好的非极性烃类化合物。其作用是通过亲固基团吸附在煤粒表面，疏水基团朝向水，提高煤粒表面的疏水性，并使其牢固吸附在气泡表面而上浮。常用捕收剂有煤油、轻柴油、天然气冷凝液及人工合成的非极性烃类油等[14]。天然气冷凝油主要应用于我国西南地区的选煤厂。捕收剂的浮选效果主要受到捕收剂种类、用量、煤质等因素的影响。目前应用的传统煤泥捕收剂存在消耗量大、选择性弱及分散性差等缺点。煤油、轻柴油是非可再生资源，属于短缺物资。选用稳定性好、价格低廉的化工副产品代替石油作为捕收剂，进而减少石油用量，降低生产成本，成为煤泥浮选捕收剂的发展趋势。国内外学者从未停止过对新型捕收剂的研究，已合成多种新型捕收剂应用于生产，如WL乳化型捕收剂由油、水、乳化剂及助乳化剂以一定比例混合而成，其在水中分散性强，与煤油捕收剂相比，在浮选效果不变的情况下，其成本更低[12]。

在煤泥浮选的过程中，捕收剂的用量影响精煤产率和质量。精煤产率会随捕收剂用量的增加而增加，但选择性减弱，精煤灰分随捕收剂用量的增加先减小后增加[15]。但煤油用量过大导致泡沫层致密、发黏、不易流动，有明显的消泡作用，精矿易脱水，尾煤水存在大颗粒煤，不利于浮选。煤质影响捕收剂的消耗量，氧化程度高、变质程度低的煤由于疏水性差导致药剂消耗量较大[16]。

(2)起泡剂对浮选效果的影响。起泡剂是一种分子结构十分复杂具有起泡作用的异极性表面活性剂，由亲水的极性基和亲气的非极性基2部分组成。起泡剂能够在煤浆表面形成稳定的泡沫层，实现煤泥的有效分离，主要是由于其易吸附在气液界面，能有效降低水表面张力，增加空气在煤浆中的溶解度及弥散程度，诱使空气在煤浆中形成适合浮选的稳定气泡[17]。根据起泡剂的来源，常用的起泡剂包括天然起泡剂、工业副产品起泡剂和人工合成起泡剂。①天然起泡剂应用广泛的是松醇油，但天然起泡剂存在泡沫易碎、流动性差等缺点，逐渐被人工合成起泡剂所替代。②工业副产品起泡剂主要包括GF油、杂醇等，其中GF油起泡能力强、泡沫稳定性、选择性较好、用量少，被我国选煤厂青睐而得到广泛应用。荣令坤等[18]研究起泡剂对浮选效果影响发现，在相同起泡剂的作用下，GF油可使精煤产率高且灰分低。人工合成起泡剂主要包括合成醇类起泡剂、HC型起泡剂、X-316起泡剂等。③人工合成起泡剂具有起泡性能较强、浮选速度快、用量小、泡沫多、易破碎、易过滤等优点，被选煤厂浮选生产中广泛使用。

(3)调整剂对浮选效果的影响。我国煤资源种类多，煤质情况相对复杂，存在浮选效果差、煤泥难浮选、精煤产率低的情况。在煤泥浮选时，捕收剂和起泡剂本身不能满足浮选要求，需要在其中添加一些调整剂，辅助降低浮选药剂用量，改善煤泥浮选效果，提高浮选效率和浮选速度。常用调整剂有pH值调整剂、乳化剂、分散剂、絮凝剂等。pH值调整剂主要调整煤浆pH值在一定范围内，进而实现浮选药剂用量最少、性能最优的目的。乳化剂主要对煤油、柴油等捕收剂进行乳化，使其充分扩散，增加与煤颗粒的接触机会，更好发挥捕收剂的药效，减少其消耗，提高浮选效率和浮选质量。分散剂主要增强煤颗粒表面电负性，进而增加它们之间的排斥力，使煤浆中煤粒充分分散，防止其团聚[13]。絮凝剂主要加速沉降浮选尾煤泥水中的悬浮颗粒。

2.4 浮选工艺对煤泥浮选效果的影响

煤泥浮选工艺方案受到煤泥本身可浮性、浮选设备性能及产品质量要求等因素的影响。因此，各选煤厂所用的浮选工艺存在一定的差异性。煤泥浮选工艺制定主要通过试验获取表征煤泥可浮性的资料，依据煤泥浮选速度及可浮性曲线，评定煤泥的可浮性等级，进而对浮选工艺流程进行选择和制定。对于可浮性较好的煤泥，一般采用一次煤泥浮选工艺流程。对于可浮性难浮的煤泥，浮选初期精煤灰分较高，需要选用二次浮选工艺[19-20]。

3 结语

随着煤炭工业向着机械化、自动化、集约化、大型化方向发展，对原有选煤厂进行升级改造，适应市场发展需求是选煤工业发展到一定阶段的显著特征。同时煤炭资源开采程度逐渐加深，煤泥浮选是受到煤泥性质、预处理方式、药剂制度、浮选工艺流程等因素的综合影响，并经过极其复杂的物理化学变化进而实现分选的过程。只有全面深入了解各因素对浮选效果的影响，并掌握其内在联系，找到各影响因素的最佳配合方式，才能在实际生产过程中采取必要措施获得较高浮选效率，进而提高煤炭经济效益，使煤泥浮选技术向着绿色环保、消耗低、成本低、高效化方向发展。